叶面喷施纳米尿素促进拟南芥营养生长的分子机制研究

为解决传统尿素利用率低问题，研究人员对比纳米尿素（NUF）和传统尿素，发现 NUF 促生长，对农业有重要意义。

　　《纳米尿素叶面喷施通过更高诱导生物合成基因但抑制氮吸收和衰老基因，促进拟南芥营养生长》这一研究成果发表在《Plant Growth Regulation》上。在农业生产中，土壤养分耗竭是一个严峻的问题，它直接关联着欠发达国家和发展中国家的粮食安全。这主要是由于土地的过度农业使用，使得土壤中的养分不断减少。为了维持土壤养分平衡并提高粮食产量，人们大量使用化学肥料。化学肥料虽然在一定程度上提升了作物产量，保障了粮食安全，可它的过度使用却带来了严重的环境威胁，比如对空气、水和土壤的污染。研究表明，40%-70% 的氮肥会因挥发或淋溶而损失，无法被作物有效利用。在这样的背景下，纳米肥料应运而生。纳米肥料因其能够精确、可控地输送养分，提高作物产量，增强土壤肥力，减少污染，还能为有益土壤微生物创造良好环境，受到了广泛关注。印度农民肥料合作社（IFFCO）研发的液体纳米尿素配方（NUF）在田间试验中展现出比传统散装尿素更高的效率，但它发挥作用的分子机制却鲜为人知。

为了深入探究这一机制，印度理工学院焦特布尔分校的研究人员开展了相关研究。他们以模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）为研究对象，对比了 NUF 和等摩尔散装尿素对其营养生长的影响，并通过比较转录组分析揭示了相关分子机制。

研究人员用到了以下几种关键技术方法：首先是通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）来测定 NUF 的粒径和表面电荷；其次，对拟南芥进行特定的生长培养和施肥处理，观察其表型变化，包括测量生物量、叶绿素、氮和氨基酸含量等；然后，运用转录组分析技术，对处理后的拟南芥叶片进行 RNA 测序，分析基因表达差异；最后，利用实时定量 PCR（qPCR）技术对转录组分析的结果进行验证。

在研究结果方面：

• NUF 的粒径适合叶面吸收：通过 DLS 和 TEM 测量发现，0.4% NUF 水溶液的粒径约为 27.7nm，且 zeta 电位为 - 54.7mV，这表明其适合通过气孔被叶面吸收。
• 叶面喷施 NUF 比等摩尔散装尿素更能增强叶片的生物量、叶绿素和氮含量：0.4% v/v 的 NUF 处理后，拟南芥的地上部生物量平均增加 0.4g（51%），莲座直径增加 0.95cm（10.2%），总叶绿素增加 0.5mg g^-1（29.5%），总叶氮增加 0.17mmol g^-1（8.4%），总氨基酸水平增加 28.8mg g^-1（4.5%）。
• NUF 和等摩尔散装尿素处理后基因表达模式不同：转录组分析显示，与尿素处理相比，NUF 处理显著上调了 234 个基因，显著下调了 1321 个基因。功能富集分析表明，NUF 处理诱导了更多与 “生长”“碳水化合物和脂质代谢过程”“细胞壁” 等相关的基因，同时下调了与 “细胞死亡”“氮代谢” 等相关的基因。
• 氮代谢基因受 NUF 和尿素的差异调节：几乎所有的氮转运蛋白基因在尿素处理下上调，在 NUF 处理下下调；而氨基酸同化基因在 NUF 处理下的诱导水平更高。此外，在叶绿素代谢方面，NUF 处理诱导了更多叶绿素合成相关基因，同时下调了叶绿素分解代谢基因，使得叶片叶绿素含量更高。
• NUF 诱导的生长和发育相关基因水平高于尿素：NUF 诱导了许多与细胞周期、激素代谢和信号传导、光响应以及其他应激反应相关的生长促进基因，同时抑制了细胞死亡、脱落和衰老相关基因，这可能是 NUF 促进拟南芥生长的重要原因。

综合研究结论和讨论部分，该研究表明叶面喷施 NUF 比等摩尔尿素更有利于拟南芥的营养生长，能提高叶片氮、叶绿素和氨基酸含量。在分子层面，NUF 上调了与生长促进相关的基因，下调了与细胞死亡、衰老和脱落相关的基因。虽然 NUF 抑制了氮吸收基因，但通过更高诱导必需生物分子合成和生长促进基因来促进生长。不过，这些实验室的发现还需要在田间条件下进一步验证。该研究首次揭示了纳米尿素优于散装尿素的分子机制，为减少肥料使用提供了理论依据，有望推动农业领域的变革。